شرق آزما - شرق آزما

هدف آزمایش: بررسی اثر سیم پیچ (سلف) در مدارهای جریان متناوب، اندازه‏گیری ولتاژهای ورودی و خروجی در مدارهای   و ، تعیین امپدانس و اختلاف فاز، بررسی اثر هسته در سیم پیچ.
وسایل آزمایش: برد RLC ، پك كامل پرتهاي آزمايشگاهي uشکل ، بلوكه مقاومت معلوم ، بلوكه خازن بای پلار ،بلوكه لامپ 6 ولتي ، منبع تغذیه AC-DC واریابل ( ) ، سیم پیچ الکترومغناطیس 300 دور ، سیم پیچ الکترومغناطیس 600 دور ، سیم پیچ الکترومغناطیس 900 دور ، سیم پیچ الکترومغناطیس 1200 دور ، هسته I بزرگ ورقه‏ای لمینت شده ، مولتي‏متر دستي ديجيتال   (2عدد).

تئوری آزمایش
الف) مدارهای R-L: هنگامی كه از یك سیم پیچ جریان الكتریكی می گذرد در اطراف سیم پیچ میدان مغناطیسی ایجاد می شود. اگر جریان الكتریكی ثابت باشد، شار مغناطیسی كه از داخل سیم پیچ می گذرد ثابت بوده و سیم پیچ مانند یك مقاومت معمولی عمل می كند، اما اگر جریان الكتریكی نسبت به زمان تغییر كند شار مغناطیسی متغیری بوجود آمده كه در سیم پیچ نیروی محركه الكتریكی القا می كند. این نیرو محركه طبق قانون لنز با عامل مولدش مخالفت می كند در نتیجه از مقدار جریان می كاهد و می توان گفت سیم پیچ در مقابل جریان متغیر مقاومت بیشتری از خود نشان می دهد، این مقاومت را كه به فركانس جریان و خصوصیات سیم پیچ بستگی دارد، مقاومت ظاهری سیم پیچ نامیده و برابر است با:
(1)

در این رابطه L ضریب خودالقایی سیم پیچ بوده و به تعداد حلقه ها، سطح و طول سیم پیچ و جنس ماده‏ای كه میان حلقه ها قرار می‏گیرد بستگی دارد.

مشابه خازن، در سیم‏پیچ نیز برای جریان‏های متناوب بین ولتاژی كه دو سر آن برقرار می شود با جریانی كه از آن می گذرد اختلاف فاز وجود دارد، با این تفاوت كه در خازن جریان نسبت به ولتاژ تقدم فاز دارد، در حالی كه در سیم پیچ جریان نسبت به ولتاژ تأخیر فاز دارد.

مقدار این تأخیر را كه با   نشان می دهیم از رابطه (2) به دست می آید:
(2)

كه   مقاومت اهمی سلف است، طبق این رابطه اگر   باشد مقدار تاخیر فاز برابر   می شود. اگر همراه سلف مقاومت دیگری مانند R در مدار سری شده باشد در این صورت اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ كل مدار به صورت زیر است:
(3)

شكل (1) نشان دهنده یك مدار R-L است.

شكل (1)

مشابه آنچه برای خازن گفته شد (دستور كار مدار R-C را نگاه كنید) وجود اختلاف فاز سبب می شود كه ما نتوانیم جمع عددی را بین ولتاژهای متفاوت و سلف و منبع تغذیه در حلقه شكل (1) برقرار كنیم، بلكه بایستی جمع برداری را برای آنها به كار ببریم.

شكل (2)
اگر    باشد    بر   عمود بوده اختلاف فاز آنها   است مقاومت ظاهری كل مدار یا امپدانس از رابطه زیر به دست می آید.

ب) مدارهای R-L-C:
شكل (3) نشان دهنده یك مدار R-L-C است كه تركیبی است سری از خازن، مقاومت و سیم پیچ. در این حالت مقاومت ظاهری كل مدار از رابطه (4) به دست می آید:
(4)

شكل (3)
اگر مقاومت اهمی سلف زیاد باشد بایستی مقدار آن را با R جمع كرد. نمودار برداری ولتاژها نیز در شكل (4) دیده می شود، در این صورت اختلاف فاز جریان مدار با ولتاژ منبع به صورت زیر قابل محاسبه است:
(5)

شكل (4)
روش آزمایش
الف) مدارR-L
1- با منبع تغذیه، مقاومت و سلفی كه در اختیار دارید مدار شكل (5) را ببندید.
2- اختلاف پتانسیل های دو سر سلف، مقاومت و منبع تغذیه و نیز شدت جریان مدار را اندازه گرفته در جدول زیر یادداشت نمائید.
I

تذكر: برای اندازه گیری ولتاژها از یك پله( Range ) ولتمتر استفاده كنید.

شكل (5)

3- نمودار برداری ولتاژها را رسم كرده و به كمك آن مقادیر   را اندازه بگیرید.

4- بااستفاده از جدول بالا مقادیر L,XL,Z را حساب كنید، توجه كنید كه:

5- منظور از انجام این قسمت آزمایش بررسی اثر هسته در سیم پیچ و یا جریان مدار است برای این كار در مدار شكل (5) به جای آمپر متر لامپ كوچكی را كه در اختیار دارید قرار داده با حركت دادن هسته تغییرات روشنایی لامپ را مشاهده كنید. نتایج این مشاهدات را بنویسید.

ب) مدار R- L-C
1- مدار شكل (6) را با استفاده از خازن، سلف، مقاومت و منبع تغذیه ای كه در اختیار دارید ببندید.
2-   اختلاف پتانسیل دو سر سلف، خازن، مقاومت و منبع جریان و نیز شدت جریان مدار را اندازه گرفته در جدول زیر یادداشت نمائید.

I   VR   VC   VL   Vin

3- با استفاده از جدول بالا نمودار برداری ولتاژها را رسم كرده و به كمك آن اختلاف فاز بین جریان مدار و ولتاژ كل را به دست آورید.
4- با استفاده از جدول بالا مقادیر C,L,Z را به دست آورید.

شكل (6)

آزمایش RLC در تشدید

هدف آزمایش: اندازه‏گیری ولتاژ و جریان درحالت تشدید.
وسایل آزمایش: برد RLC، پك كامل پرتهاي آزمايشگاهي uشکل، سيگنال ژنراتور با خروجي پرقدرت KHz 10، بلوكه مقاومت معلوم، بلوکه خازن بای‏ پلار، سیم پیچ الکترومغناطیس 300 دور، سیم پیچ الکترومغناطیس 600 دور، سیم پیچ الکترومغناطیس 900 دور، سیم پیچ الکترومغناطیس 1200 دور، مولتي‏متر دستي دیجیتال   (2عدد).

تئوری آزمایش
سلف در جریان مستقیم، فقط از خود مقاومت اهمی نشان می دهد بجز در مواقع قطع و وصل كه در این حالت اثر القایی از خود نشان می دهد. خازن درجریان مستقیم برای یك لحظه جریان را نشان داده و به جای اول خود برمی گردد و مانند كلید قطع عمل می نماید.هرگاه جریان متغیر از یك سیم پیچ عبور كند یك نیروی محركه بوجود می آید كه با عامل بوجود آوردنده اش مخالفت می كند.
بنابراین:

ازمقایسه رابطه بدست آمده با رابطه جریان مشاهده می شود كه ولتاژ از جریان به اندازه   جلوتر است.

در رابطه اخیر ( ) را مقاومت القایی سیم پیچ می نامند .

هرگاه جریان متغیر از یك خازن عبور كند در اینصورت داریم:

اگر رابطه بدست آمده را با رابطه جریان مقایسه نماییم مشاهده می شود كه ولتاژ از جریان به اندازه عقب تر است در رابطه اخیر را مقاومت ظاهری خازن می نامند.

اگریك سیم پیچ با ضریب القایی L، یك خازن با ظرفیت ه و یك مقاومت در حالت سری به منبع ولتاژ متناوب وصل شوند، اگر   با جریان هم فاز باشد به اندازه   جلوتر و   به اندازه   عقب تر از جریان می باشد كه در شكل زیر بصورت برداری نشان داده شده است.

شکل (1)

زاویه اختلاف فاز در مدار RLCنسبت به جریان یا تقدم فاز دارد یا تاخیر فاز، هرگاه باشد واكنایی مداربیشتر القایی است در نتیجه جریان از ولتاژ عقب تر است واگر   باشد، واكنایی خازنی مدار بیشتر است و در نتیجه ولتاژ از جریان عقب تر است.

تشدید درمدارسری RLC زمانی رخ می دهد كه مقاومت القایی و خازنی مساوی یكدیگر باشند یعنی اگر همدیگر را خنثی نمایند در اینصورت گویند مدار درحال تشدید است.در هنگام تشدید جریان در فركانس تشدید است.

z امپدانس در نقاط نیم قدرت پایین و بالا است.

با توجه به شكل (1):

ضریب چگونگی یا ضریب كیفیت نشان دهنده این است كه هرچه پهنای منحنی تشدید بیشتر باشد ضریب كیفیت كمتر و هر چه پهنای منحنی تشدید كمتر باشد، ضریب كیفیت بیشتر می باشد.

روش آزمایش

در طول آزمایش، تنظیم نباید تغییر داده شود، نمودار مدار معادل، در واقع ساده شده مدار تنظیم شده سری است كه درشكل (2) نشان داده شده است. مقاومت درونی Function را نشان می دهد.

شکل (2)
مدار را مطابق شكل ببندید، با توجه به جدول شماره (1) در فركانس تشدید، جریان را توسط مولتیمتر اندازه گیری كنید سپس جریان در نقاط می نیمم قدرت بالا و پایین آن را محاسبه كنید و فركانس اسیلوسكوپ را روی آن فركانس قرار دهید و سپس اختلاف پتانسیل دو سر سلف و خازن و جریان مدار را اندازه گیری كنید و جدول شماره (2) را كامل كنید.منحنی تشدید جریان را در گستره فركانسی رسم نمایید.
منحنی تشدید ولتاژ را نیز در گستره فركانسی رسم نمایید.
800   700   600   550   525   500   475   450   400   300   200   100   f (Hz)

I(mA)
جدول (1)

VR   R   VC   VL   نیم قدرت I   نیم قدرت

پایین
بالا
جدول (2)